滤波器对PWM变频调速电动机端子上电压波形的影响分析

22滤波器的参数对端子上电压波形的影响

对于陡上升沿的电压波来说，滤波器的电容Cf可认为是零波阻抗，相当于短路，如果取滤波器电阻Rf的阻值与电缆的波阻抗相等，而电动机的波阻抗又远大于Rf，则负载阻抗近似为Rf，这样一来，电缆末端的负载阻抗与电缆的波阻抗相匹配，在电动机端子上就不会产生电压波的全反射，也就不会形成过电压。

然而滤波器的电容该如何确定?原理上其电容值越大，对阻抗的匹配性就越好，过电压就越小。但是，随着电容值的增大，电阻上的功耗就增加，因为在连续矩形脉冲电压下，滤波器电阻的总功耗P可近似表示为P=3CfUo2fs（1)

式中fs为变频器的载波频率，对于普通型变频器约为600Hz～5kHz，低噪音型变频器约为8kHz～15kHz，而对于特殊的变频器可达到20kHz。如取Uo为400V，Cf取为01μF，fs分别取为1kHz和10kHz，则根据式(1)求得电阻上的总功耗分别为48W和480W，随着电阻功耗的增大，滤波器元件的尺寸也相应增大，因此在小型变频调速电动机应用中，就不能不考虑功耗这一因素。

实际应用中，如果对滤波器不能进行专门设计，就不能达到满意的匹配效果，这就是说滤波器的失匹配程度将影响对电动机端子上过电压的抑制效果，本文在不同的电缆长度(30m、45m和75m)下，电阻Rf分别取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω，及电容Cf取为0001μF～016μF，分别测量了电动机端子上电压的波形、上升沿过电压幅值，以及上升时间的变化。

图2所示的是电动机端子上相—相电压上升沿的波形与滤波器电阻的关系，其中电缆长度为45m，滤波器电容分别为008μF、002μF、0005μF和0001μF。

从图2中可以看出，当滤波器电阻近似等于或小于100Ω时，滤波器的电容对高频振荡的幅度及波形有显著的影响，随着滤波器电容的减小，高频振荡的幅值增大，滤波效果变差。而当滤波器电阻远大于100Ω时，滤波器的电容对振荡的幅值及波形的影响很小。

图4电动机端子上电压上升沿时间与滤波器电阻及电容的关系

图3电动机端子上过电压倍率(Ump／Ums)与滤波器电阻Rf及电容Cf的关系

为了更进一步地研究滤波器的电阻和电容与电动机端子上电压特性的关系，下面将分别测量不同滤波器的电阻和电容下，电动机端子上电压上升沿过电压倍率及电压上升时间。

23滤波器的参数与端子上过电压的关系

按照上述方法，在电缆长度分别为30m和75m时，在不同的滤波器电阻及电容下，测取电动机端子上电压上升沿的波形，从而得到电动机端子上电压上升沿过电压倍率与滤波器电阻及电容的关系曲线，如图3所示，其中过电压倍率为上升沿的电压峰值Ump与稳态值Ums(即近似等于变频器输出电压幅值)之比。

从图3中可以清楚地看出：滤波器的电容值Cf越大，滤波器的电阻值Rf越小，则过电压的倍率就越小；另外，电缆长度L越长，过电压倍率也相应略增大。这样看来，当电缆长度为75m时，如Cf大于002μF，Rf小于150Ω，过电压的倍率将不超过12。24滤波器的参数与端子上电压上升沿时间的关系

同样，在电缆长度分别为30m和75m时，在不同的滤波器电阻及电容下，测取电动机端子上电压上升沿的波形，从而得到电动机端子上电压上升沿时间与滤波器电阻及电容的关系曲线，如图4所示。

从图4中可以清楚地看出：滤波器的电阻值Rf越小，上升沿时间tr就越大，且随滤波器的电容值Cf的增大而增加，并当Cf超过001μF后，tr趋于饱和；当Rf大于150Ω时，上升沿时间与电容值几乎无关；另外，电缆长度L越长，上升沿时间也相应增大。这样看来，当电缆长度为75m时，如Cf大于001μF，Rf为100Ω，则上升沿时间超过09μs，它是滤波前(约045μs)的2倍。

25滤波器的Rf和Cf的选择

由上述试验结果可知，滤波器电阻值Rf越小，电容值Cf越大，电缆长度L越短，则电动机端子上过电压的倍率就越小。而且Rf越小，Cf越大，上升沿时间就越大，即电压上升率(dv/dt)也就越小。如果电缆的长度约为75m，取滤波器的电容值Cf为002μF，Rf近似取为100Ω，则电动机端子上过电压的倍率从滤波前的18减小到12，上升沿时间从滤波前的045μs增大到09μs，则电压上升率减小到滤波前1/3，这有利于减弱过电压对电动机绝缘的破坏。

3结语

用RC一阶阻尼滤波器可以很好地抑制变频调速电动机端子上高频振荡的过电压，滤波器的电阻值越小，电容值越大，则过电压幅值就越小。当滤波器的电容大于一定值(如002μF)后，过电压幅值随滤波器电阻值的减小而减小，并在电阻值等于或小于电缆的波阻抗时趋于电源电压值，且随电缆长度的增加而略有增加，而上升沿时间随滤波器电阻值的减小而增加，并随电缆长度的增加而增加。考虑到滤波器的功耗，电容值不宜很大，应低于01μF。